深度、全面 ┃ 解析陶瓷3D打印工艺与装备

作者：陈张伟——深圳大学增材制造研究所(AMI-SZU)  博士|教授|执行所长

先进陶瓷材料与成型加工
先进陶瓷材料

应用方向
高温陶瓷
半导体陶瓷
绝缘陶瓷
介电陶瓷
发光陶瓷
感光陶瓷
吸波陶瓷
激光陶瓷
核能陶瓷
推进剂陶瓷
储能陶瓷
电池电极陶瓷
阻尼陶瓷
生物支架陶瓷
催化载体陶瓷
功能薄膜陶瓷

我等国先进陶瓷产值及预测

先进陶瓷成型与加工

陶瓷3D打印技术发展与现状

制造业的大变革

• ΔM=0(等材) 材料成形(铸、锻、焊等) 3000多年前
• ΔM<0(减材) 材料去除(车、铣、磨等) 300多年前
• ΔM>0(增材) 材料累加(3D打印技术等) 30多年前

3D打印技术原理

3D打印:又称为增材制造(Additive Manufacturing)、快速成型(Rapid Prototyping)、无模成型(Freeform Fabrication)等，以智能化处理后的3D数 字模型文件为基础，通过逐层增加材料的方式来构造任意复杂的3D实体形状

3D打印应用优势分析

3D打印具有实现超复杂结构制造、定制化设计制造 两大绝对优势，同时具有:成本低、周期短两大相对优势。

定制化设计制造超复杂跨尺度结构
 设计自由度更大，开创基 于功能设计的新时代
 通过原型快速验证，反复 迭代，加快产品设计开发

成本低
 提高材料利用率，近100%， 特别是战略昂贵资源
 无需模具，降低原型制造与 模型开发的成本

周期短

 直接由设计数据转化为三维实体，所想即所得

 一体化制造，减少或无需 组装环节，提高生产效率

3D打印技术发展历程

陶瓷3D打印流程图

陶瓷3D打印技术分类

SL陶瓷3D打印技术

设备:桌面级、工业级3D打印机
材料:聚合光敏树脂+陶瓷粉末/前驱体陶瓷
特点:精度高，成型尺寸大，材料用量较多
难点:陶瓷粉末对光的吸收和散射

DLP陶瓷3D打印技术

◼设备:桌面级、工业级，也有CLIP 3D打印机
◼ 材料:聚合光敏树脂+陶瓷粉末/前驱体陶瓷
◼ 特点:精度高，速度快，节约材料
◼ 难点:尺寸有限，精度提升空间不够

TPP陶瓷3D打印技术

◼ 设备:桌面级、工业级
◼ 材料:前驱体陶瓷(透明)
◼ 特点:精度高，速度慢，尺寸小 ◼ 难点:尺寸，速度

IJP陶瓷3D打印技术

◼ 设备:桌面级、工业级
◼ 材料:溶剂+陶瓷粉末
◼ 特点:定位精度高，速度慢，厚度薄 ◼ 难点:无法制作悬臂梁或中空件

DIW陶瓷3D打印技术

◼ 设备:桌面级，自制
◼ 材料:溶剂+陶瓷粉末/前驱体陶瓷
◼ 特点:精度低，速度慢，厚度小，艺术创作 ◼ 难点:无法制作悬臂梁

3DP陶瓷3D打印技术

◼ 设备:桌面级，工业级
◼ 材料:溶剂+陶瓷粉床/前驱体陶瓷
◼ 特点:用料较多，精度低，粗糙度大，致密度低 ◼ 难点:粗糙度大，致密度较低

SLS陶瓷3D打印技术
◼ 设备:工业级3D打印机
◼ 材料:陶瓷粉床+低熔点粘接材料
◼ 特点:精度高，近乎无限复杂结构
◼ 难点:致密度的提高需更多后处理

SLM陶瓷3D打印技术
◼ 设备:工业级3D打印机
◼ 材料:陶瓷粉床
◼ 特点:设备贵，精度低，表面粗糙度大，致密度低
◼ 难点:应力集中导致的缺陷

LOM陶瓷3D打印技术
◼ 设备:工业级3D打印机
◼ 材料:陶瓷薄板
◼ 特点:精度高，速度快，材料利用率低
◼难点:层间粘接差，各向异性

FDM陶瓷3D打印技术
◼ 设备:工业级3D打印机
◼ 材料:陶瓷丝材
◼ 特点:精度低，表面粗糙度大
◼ 难点:层间控制

陶瓷3D打印技术对比

陶瓷3D打印技术发展

陶瓷3D打印应用与设备

主流3D打印用先进陶瓷材料

3D打印技术应用概述

陶瓷3D打印装备-光固化

陶瓷3D打印装备-其他原理

陶瓷3D打印装备-挤出直写

结论与展望

陶瓷3D打印产值预测

有机物前驱体陶瓷用于3D打印
2016年美国HRL实验室采用光固化3D打印技术制备出任意形 状超强前驱体转化陶瓷SiOC等结构件，论文发表在Science上

CLIP连续光固化3D打印技术
连续打印，速度提升100倍，表面无台阶现象，制造微结构

真正的一次性成形3D打印技术

总结与展望
◼ 工业级陶瓷3D打印技术和设备门槛较高，成本也较高，需要从设备、原材料、烧结、 后处理等多方紧密配合研究;
◼ 打印效率还需进一步提升，生产流程更加简单化、自动化和一体化;
◼ 光固化和粘接剂喷射3D打印工艺为目前较优的陶瓷打印工艺，特别是光固化工艺具 有较好的成型效果;
◼ 目前3D打印陶瓷还存在表面质量不够理想，精度较低等问题。可从陶瓷材料成型理 化规律入手，研究新型陶瓷3D打印工艺予以解决;
◼ 针对新兴应用，研发新型3D打印用高性能陶瓷材料。

解决方案
陶瓷DLP光固化、高分子、金属等工业级3D打印机;

陶瓷材料:ZrO2/Al2O3/SiO2/羟基磷灰石/陶瓷电极浆料及前驱体材料等
成型幅面:57.632.4-14481mm，像素30-75μm
成型精度:10μm，达到与国际领先产品相当的水平
产品优势:自动智能支撑/亚像素曝光算法/尺寸收缩补偿

高性价比FDM/LCD光固化消费级3D打印机;
航空航天/生物医疗/汽车模具/珠宝首饰等应用。

技术优势
金属、陶瓷、高分子等低成本高速批量化3D打印; 材料、软件、控制、设备协同优化。

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备注：本PPT大部分内容为作者原创，如需用于公开场合演讲或发表需征得作者同意，请联系chen@szu.edu.cn。